廖國勝，何正戀，劉 佩

（武漢科技大學，武漢430065）

隨著交通、水電、市政等基礎(chǔ)建筑事業(yè)的高速發(fā)展，大跨度橋梁、高樓大廈以及高鐵隧道等大型工程建設(shè)的興起，混凝土外加劑得到了廣泛的應(yīng)用，特別是聚羧酸類減水劑［1］。相比于傳統(tǒng)的減水劑，聚羧酸類減水劑具有分散性好、減水率高、分子結(jié)構(gòu)靈活、環(huán)境友好等優(yōu)點［2－3］。建設(shè)工程中要求混凝土外加劑要和混凝土有良好的適應(yīng)性，但是在實際工程中，聚羧酸類減水劑經(jīng)常遇到坍落度損失過快等問題［4］。該研究主要是從減水劑的“吸附－分散”及坍落度保持機理出發(fā)，通過一步法使改性聚醚與不飽和羧酸共聚，在引入陰離子表面活性基團的條件下，然后通過合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)出性能優(yōu)異的聚羧酸系高性能保坍劑［5］。

1 新型聚羧酸系保坍劑的設(shè)計思路

混凝土坍落度損失的根本原因在于水泥的水化反應(yīng)，水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng)，隨著水化反應(yīng)的進行，一部分自由水在水泥顆粒凝聚的過程中被包裹，另一部分自由水被蒸發(fā)掉了，造成混凝土漿體中的自由水的逐漸減少［6］。通過一步法使改性聚醚與不飽和羧酸共聚，在引入陰離子表面活性基團的條件下，制備出具有羧基、羥基、磺酸基等陰離子活性基團的聚羧酸保坍劑。聚羧酸保坍劑的負電荷（羧基、羥基、磺酸基等陰離子）就會和水泥顆粒表面的正電荷相互作用，使保坍劑分子牢固的吸附在水泥顆粒表面，造成水泥顆粒表面形成一層雙電子層。這樣每個水泥顆粒的表面就會帶有相同的電荷，由于同種電荷相互排斥，水泥顆粒就會分散開來。水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)被破壞，里面被包裹的自由水被釋放出來參與流動，從而有效地增加混凝土拌合物的流動性［7－9］。

2 新型聚羧酸系保坍劑的研制

2.1 試驗主要儀器

恒溫水浴箱，三口燒瓶，電動機，LT1002精密性電子天平，滴管，燒杯。

2.2 合成原料

合成原料如表1所示。

表1 合成原料

2.3 合成步驟

用TPEG、丙烯酸，蒸餾水配置一定量的底料，用復合分子量調(diào)節(jié)劑、引發(fā)劑、蒸餾水配置定量的A料和B料，然后將底料加入到裝有攪拌器的三口燒瓶中。將水浴鍋的溫度升至70℃，把裝有底料的三口燒瓶放置水浴鍋中加熱攪拌。然后同時連續(xù)均勻向三口燒瓶中滴加A料和B料，A料的滴加時間控制在2.5h，B料的滴加時間控制在3.0h，待A料和B料滴加完后，繼續(xù)保溫1h，最后用30%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至6.0～7.0，即得聚羧酸系保坍劑。

3 產(chǎn)品性能研究

3.1 水泥凈漿測試

試驗材料：減水劑TB－40（湖北興祥科技有限公司）；自制高效保坍劑；昌閣P·O 42.5硅酸鹽水泥。

試驗條件及方法：凈漿流動度測試參照GBT 8077—2000混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法中的水泥凈漿流動度測試方法。

為了研究制得的聚羧酸保坍劑的效果，采用空白對照組和摻加市面上銷售的臺界保坍劑對照組的試驗方法，固定減水劑摻量均為0.4%，保坍劑取代20%的減水劑（TB－40）母液，分別測試0min、30min、60min、90min的水泥凈漿流動度，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 保坍劑性能對比實驗結(jié)果

從表2可以看出，在沒有摻加任何保坍劑的情況下，90min后的水泥凈漿流動度損失很大。在摻加臺界保坍劑的情況下，60min后的水泥凈漿流動度損失不多，但是90min后的水泥凈漿流動度損失也很大，但是相比不摻加保坍劑的空白對照組要好，說明臺界保坍劑對保持混凝土流動性還是有效果的。摻加自制保坍劑的實驗組與摻加臺界保坍劑的對照組相比，各個測試時間點的凈漿流動度有所提高，并且60min后的水泥凈漿流動度基本沒有損失，90min后的凈漿流動度有損失，但不是很大。說明該保坍劑在一定程度上有助于提高水泥的流動度，而且在90min后依舊可以保持較高的流動度，保坍效果較好。

3.2 保坍劑與水泥適應(yīng)性的研究

在實際工程中，由于水泥的品類不同，會造成聚羧酸保坍劑與水泥適應(yīng)性問題。本實驗主要是對摻加聚羧酸保坍劑水泥凈漿進行流動度測試，通過水泥凈漿經(jīng)時損失分析該保坍劑的水泥適應(yīng)性問題。實驗材料選用華祥、華新、昌閣、雷山水泥與自制的減水劑和聚羧酸保坍劑，其中減水劑摻量為0.4%，保坍劑取代20%的減水劑（TB－40）母液。實驗結(jié)果如表3所示。

表3 水泥適應(yīng)性實驗結(jié)果

從表3可以看出，對于華祥水泥，初始流動度最好，并且在1h后基本沒有損失，90min后損失也不是很大。相比較其他各品牌水泥，對于昌閣水泥，初始流動度最小，且90min后損失也是最大的。華新水泥和雷山各時間點流動度大致相同，水泥適應(yīng)性相差不是很大?？傮w可以說明，該聚羧酸保坍劑與大部分水泥的適應(yīng)性良好。

3.3 紅外光譜分析

為了對這種聚羧酸保坍劑的微觀結(jié)構(gòu)有進一步了解，我們用紅外光譜對其分子結(jié)構(gòu)進行表征，如圖1所示。

由紅外光譜圖可知，該聚羧酸保坍劑在3 437.2cm－1處出現(xiàn)又寬又強的吸收峰，這是因為分子內(nèi)出現(xiàn)了締合羥基O—H（3 500～3 000cm－1）的原因，說明接枝長側(cè)末端的－OH形成了大量的分子內(nèi)氫鍵［9］。在2 879.7cm－1處出現(xiàn)吸收峰，這主要是因為接枝上甲基丙烯磺酸鈉的亞甲基中C—H伸縮振動所致。在1 734cm－1處出現(xiàn)特征峰，這是因為該聚羧酸保坍劑結(jié)構(gòu)中有酸酐（1 755～1 745cm－1）的原因。在1 653.0cm－1處出現(xiàn)了特征吸收峰，這是羧酸鹽的吸收峰（1 750～1 550cm－1），從而說明丙烯酸已經(jīng)接枝共聚成為聚羧酸保坍劑結(jié)構(gòu)中的一部分。在1 473.6cm－1處也出現(xiàn)了特征吸收峰，主要是－CH2的伸縮峰。另外在1 107.1cm－1和952.8cm－1附近也出現(xiàn)了特征吸收峰，這主要是C—O—C的醚鍵伸縮振動峰。

綜上所述，通過共聚反應(yīng)，在TPEG型結(jié)構(gòu)中成功引入了羧基、聚氧乙烯醚基、磺酸基等陰離子官能團，這些都與預先設(shè)計的結(jié)構(gòu)相符合，從而得到新型聚羧酸系保坍劑。

3.4 混凝土性能的研究

為了更全面的評定聚羧酸保坍劑的性能，對摻加保坍劑的混凝土進行混凝土性能研究，主要包括：摻加保坍劑混凝土的坍落度、擴展度和抗壓強度測試試驗，并與摻加市售保坍劑的混凝土性能進行對比，最后評定聚羧酸保坍劑的性能。試驗中混凝土的配合比依照JC473—2001的要求進行設(shè)計，見表4。

表4 C30混凝土配合比 ／（kg·m－3）

3.4.1 分散性及保坍能力

依據(jù)表4中的混凝土配合比配置C30混凝土，在相同減水劑（TB－40）摻量的情況下，測定混凝土分別在初始、30min、60min、90min時的坍落度和擴展度，實驗結(jié)果如表5所示。

表5 混凝土坍落度及其經(jīng)時損失

表5中：BTJ－1為單摻減水劑，摻量為0.3%；BTJ－2為摻加減水劑＋自制保坍劑，減水劑摻量為0.3%，自制保坍劑取代20%的減水劑。

從表5可以看出，摻加自制的聚羧酸保坍劑的混凝土初始坍落度最大可以達到240mm，60min后依然可以保持220mm，在90min后坍落度為190mm，坍落度隨時間損失很小。但是，在單摻減水劑的情況下，混凝土90min后坍落度損失很大，所以該聚羧酸保坍劑具有明顯的保坍效果。

從表5還可以看出，摻加自制保坍劑的混凝土初始擴展度達到了580mm，90min后有310mm。單摻減水劑的混凝土初始擴展度可以到達520mm，但是90min后只有220mm。兩組實驗數(shù)據(jù)對比可以得出自制聚羧酸保坍劑在保持混凝土擴展度方面有明顯效果。

3.4.2 混凝土抗壓強度

通過對摻加BTJ－1和BTJ－2保坍劑的混凝土進行3d、7d、28d抗壓強度的測定，研究聚羧酸保坍劑對混凝土強度的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 C30混凝土的抗壓強度

4 結(jié) 論

通過對合成的聚羧酸保坍劑進行水泥凈漿流動度、水泥適應(yīng)性、混凝土應(yīng)用性能的研究，可以得出以下結(jié)論：

a.摻加聚羧酸保坍劑的水泥凈漿初始流動度可以達到245mm，并且在90min后損失不大。說明該保坍劑在一定程度上有助于提高水泥的流動度，保坍效果較好。

b.聚羧酸保坍劑與武漢市市銷的大部分水泥適應(yīng)性良好，其中該自制保坍劑與華祥水泥和華新水泥的適應(yīng)性最好。

c.自制聚羧酸保坍劑對保持混凝土坍落度和擴展度方面具有明顯效果。

d.自制聚羧酸保坍劑對混凝土早期強度沒有影響。

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